董 碩，陳 贊，王正之，陳 輝，許 娟

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

固態(tài)功率放大器是微波有源技術(shù)產(chǎn)品中最具代表性的一類產(chǎn)品，它將完成微波信號(hào)的功率放大、增益控制、相位控制等功能，廣泛地使用于通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、導(dǎo)航衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、遙感衛(wèi)星高速數(shù)傳系統(tǒng)、微波遙感器等，是星載數(shù)傳通信等系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。驅(qū)動(dòng)電源是固態(tài)功放的關(guān)鍵部分之一，驅(qū)動(dòng)電源的電壓上電時(shí)序、工作穩(wěn)定度、工作紋波及效率對(duì)固態(tài)功放最終性能有著重大影響。星載設(shè)備與地面設(shè)備相比，在可靠性方面有極高的要求。目前星載二次電源普遍采用VPT、INTERPOINT等公司生產(chǎn)的宇航級(jí)DC-DC電源模塊進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，雖然可靠性高，但工作效率較低，整機(jī)效率普遍低于75%，不能滿足星載固態(tài)功放對(duì)效率的要求。本文針對(duì)星載固態(tài)功放設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動(dòng)電源，具有雙路輸出、穩(wěn)定度好、效率高[1-3]等特點(diǎn)，并通過模擬環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證了其可靠性。

1 驅(qū)動(dòng)電源總體設(shè)計(jì)

根據(jù)星載固態(tài)功放的要求，固態(tài)功放的驅(qū)動(dòng)電源需要一組負(fù)壓與一組正壓供電，負(fù)電壓為固態(tài)功放中的功率管提供柵極供電電壓，功率約為1 W，正電壓提供工作電壓，功率約為50 W。為保護(hù)功率管不受損壞，還應(yīng)保證驅(qū)動(dòng)電源的負(fù)壓優(yōu)先與正電壓建立。固態(tài)功放的柵電壓決定了固態(tài)功放的靜態(tài)工作點(diǎn)。為保證固態(tài)功放的工作穩(wěn)定，其柵壓驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)保證較高的穩(wěn)定度。在星載電源產(chǎn)品中，對(duì)產(chǎn)品熱真空環(huán)境下的工作可靠性及穩(wěn)定度有較高的要求，在電路選擇上應(yīng)采用成熟、穩(wěn)定、可靠的電路，同時(shí)還必須滿足一定的效率要求，以提高固態(tài)功放的整機(jī)效率性能。選擇該驅(qū)動(dòng)電源的組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1 固態(tài)功放驅(qū)動(dòng)電源架構(gòu)

由于固態(tài)功放中對(duì)負(fù)電壓的輸出電流要求小，對(duì)穩(wěn)定度要求高，因此采用反激電路產(chǎn)生，并通過線性電壓調(diào)整器進(jìn)行二次穩(wěn)壓以減小輸出紋波。正電壓輸出電流大，因此采用推挽電路產(chǎn)生。

輸入母線電壓通過浪涌抑制電路和輸入濾波電路后，反激電路部分開始工作。反激電路部分產(chǎn)生負(fù)電壓輸出，同時(shí)自持供電電路開始工作，為反激電路中的PWM控制電路提供工作電壓。反激電路部分通過輔助供電電路為推挽電路部分的PWM控制電路供電，推挽電路中的PWM控制電路通過隔離驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率MOS管進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)輸入與輸出端隔離。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 浪涌抑制電路

由于在驅(qū)動(dòng)電源中，通常輸入端會(huì)存在濾波電容，在電源開機(jī)加電瞬間，會(huì)存在很大的瞬時(shí)浪涌電流為濾波電容充電，輸入電容引起的浪涌電流會(huì)超過40 A，時(shí)間小于2 ms。如果直接啟動(dòng)，浪涌電流沖擊會(huì)對(duì)一次母線造成影響。通過浪涌抑制電路，可以抑制巨大的沖擊電流。電路設(shè)計(jì)[4-6]如圖2所示。

圖2 浪涌抑制電路

電源啟動(dòng)時(shí)，母線電壓通過電阻R4、R5分壓后，對(duì)電容C3進(jìn)行充電，使MOS管緩慢導(dǎo)通，母線電流緩慢地為濾波電容充電，從而達(dá)到抑制浪涌電流的目的。

2.2 濾波電路

濾波電路是由差、共模電感和電容器組成的低通濾波電路，允許低頻的脈沖電流流過，對(duì)于頻率較高的噪聲干擾進(jìn)行抑制。其作用是防止電源本身產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)入一次母線，同時(shí)防止一次電源母線上的干擾進(jìn)入電源內(nèi)部，影響電源的正常工作。電路圖如圖3所示。

圖3 濾波電路

2.3 反激電路

反激電路[7]為固態(tài)功放提供負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)，反激電路的電路圖如圖4所示。該反激電路采用初級(jí)反饋控制模式，通過變壓器輔助繞組N4進(jìn)行反饋控制，同時(shí)該繞組也為PWM控制芯片N2提供供電電壓。初級(jí)反饋控制模式電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了復(fù)雜的隔離反饋電路，提高了電路的可靠性，但輸出電壓精度低，穩(wěn)定性差。負(fù)電壓通過繞組N2產(chǎn)生，該電壓通過線性穩(wěn)壓器N1進(jìn)行二次穩(wěn)壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定度和精度，解決了初級(jí)反饋控制模式輸出電壓精度低的問題。繞組N3產(chǎn)生12 V電壓，為推挽電路中PWM控制芯片提供隔離供電。

2.4 推挽電路

固態(tài)功放的正壓部分采用推挽電路產(chǎn)生，推挽電路輸出功率大，穩(wěn)定性好，推挽電路電路圖如圖5所示。其中PWM控制芯片采用TI公司的控制芯片UC1825,該芯片輸出兩路PWM方波，通過驅(qū)動(dòng)變壓器T6進(jìn)行轉(zhuǎn)換后[8]，驅(qū)動(dòng)MOS管V16、V17輪流進(jìn)行導(dǎo)通，設(shè)置各管工作最大占空比不超過0.4，防止出現(xiàn)兩管同時(shí)導(dǎo)通的情況。由于PWM控制芯片供電采用圖4中反激電路的隔離繞組進(jìn)行供電，已與電源輸入端UIN隔離，因此可直接將推挽電路輸出電壓通過電阻分壓后反饋至PWM控制芯片，無(wú)需采用光耦等進(jìn)行隔離反饋，減少電路復(fù)雜度，提高可靠性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)原理樣機(jī)一臺(tái)，樣機(jī)額定工作輸入電壓29 V，拉偏電壓25 V～33 V，輸出電壓-5 V/0.2 A及+9 V/5 A，為10 W固態(tài)功放供電。

3.1 輸出紋波

固態(tài)功放對(duì)輸出紋波要求在50 mV以下，圖6、圖7分別為-5 V輸出電壓與+9 V輸出電壓紋波，從圖中可看出，-5 V端與+9 V端輸出紋波分別為20 mV與29.6 mV，能夠滿足固態(tài)功放的工作要求。

圖4 反激電路電路圖

圖5 推挽電路電路圖

圖6 -5 V輸出電壓紋波

圖7 +9 V輸出電壓紋波

3.2 正負(fù)壓?jiǎn)?dòng)波形

為保證固態(tài)功放正常工作，驅(qū)動(dòng)電源正電壓必須先于負(fù)電壓?jiǎn)?dòng)。圖8為驅(qū)動(dòng)電源正負(fù)壓?jiǎn)?dòng)波形，從圖中可看出，-5 V輸出電壓先于+9 V電壓建立，啟動(dòng)時(shí)間差大于30 ms，具備足夠的啟動(dòng)延遲時(shí)間。

圖8 正負(fù)壓?jiǎn)?dòng)波形

3.3 工作穩(wěn)定度

星載一次電源母線電壓會(huì)產(chǎn)生一定波動(dòng)，波動(dòng)范圍通常小于10%，必須保證驅(qū)動(dòng)電源在輸入電壓波動(dòng)范圍內(nèi)保持正常工作，性能不會(huì)下降。在常溫下對(duì)驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行拉偏電壓測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。在常溫下拉偏輸入電壓25 V～33 V，驅(qū)動(dòng)電源工作正常，電壓穩(wěn)定度優(yōu)于1%，工作效率大于83%。

3.4 模擬環(huán)境試驗(yàn)

星載環(huán)境處于真空狀態(tài)，并且會(huì)出現(xiàn)冷熱交替現(xiàn)象，因此在熱真空環(huán)境下模擬星載環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)。在-35 ℃～+70 ℃熱真空試驗(yàn)條件下測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。試驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)電源工作穩(wěn)定，輸出電壓穩(wěn)定度優(yōu)于1%，工作效率優(yōu)于82%。

表1 驅(qū)動(dòng)電源常溫拉偏測(cè)試結(jié)果

表2 熱真空試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文針對(duì)星載固態(tài)功放設(shè)計(jì)了一種固態(tài)功放驅(qū)動(dòng)電源，該驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了隔離反饋電路，輸出電壓精度和穩(wěn)定度高，能夠提供正負(fù)電壓兩種電壓輸出，并且在時(shí)序上保證負(fù)壓先于正壓產(chǎn)生；在電壓拉偏、熱真空環(huán)境下具有良好的電壓穩(wěn)定度與可靠性，同時(shí)有較高的工作效率，能夠滿足星載固態(tài)功放的要求。

[1] 陳熾，胡濤，陳俊，等.星載氮化鎵功率放大器設(shè)計(jì)[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展, 2014,34(5):440-444.

[2] YAMANAKA K, KIYOMASA K, OHTSUKA H, et al. S and C band over 100 W GaN HEMT 1-chip high power amplifiers with cell division cconfiguration[C].Gallium Arsenide and Other Semiconductor Application Symposium,2005: 241-244.

[3] CRIPPS S C. Advanced techniques in RF power amplifier design[M]. Artech House,2002.

[4] MANIKATALA S. 精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].王志強(qiáng),等,譯.北京：人民郵電出版社，2008.

[5] PRESSMAN A I， BILLINGS K, MOREY T.開關(guān)電源設(shè)計(jì)(第三版).王志強(qiáng),肖文勛， 虞龍，等,譯.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[6] 張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[7] 張乾，劉克承，王衛(wèi)國(guó).星載多路輸出開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014,37(20):145-147.

[8] 董碩，陳輝，許娟,等.星載DC-DC電源MOS管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù)，2015,32(5)：12-15.